Би-топливный двигатель

Би-топливный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, конструктивно и программно адаптированный для работы на двух различных видах топлива, обычно на сжатом природном газе (метане) и бензине. Основное отличие от гибридных силовых установок заключается в том, что би-топливный двигатель использует один и тот же двигатель для сжигания обоих видов топлива, переключаясь между ними в зависимости от режима работы, наличия топлива или команды водителя. В отличие от двухтопливных (dual-fuel) систем, где в цилиндры одновременно подаются два топлива (например, дизель и газ), би-топливная система предполагает поочерёдное использование одного из двух видов топлива.

История

Идея использования газового топлива в двигателях внутреннего сгорания возникла практически одновременно с появлением бензиновых моторов. Первые газовые двигатели, работавшие на светильном газе, появились ещё в XIX веке. Однако массовое распространение би-топливных систем началось во второй половине XX века, когда возникла необходимость снижения эксплуатационных расходов и уменьшения вредных выбросов.

В 1970-х годах, в связи с нефтяными кризисами, в ряде стран (Италия, Аргентина, Россия) началось активное внедрение газобаллонного оборудования (ГБО) на автомобили. Первоначально это были кустарные переделки, при которых двигатель мог работать только на газе, а бензин использовался только для запуска. К 1980-м годам появились первые серийные системы, позволяющие переключаться между газом и бензином без остановки двигателя. В 1990-х годах, с развитием электронных систем управления двигателем (ЭСУД), би-топливные системы стали более надёжными и эффективными.

В России интерес к би-топливным двигателям значительно вырос в 2010-х годах, что было связано с государственной программой стимулирования использования газомоторного топлива. Были разработаны и запущены в серийное производство заводские би-топливные версии популярных моделей автомобилей (например, Lada Vesta CNG, ГАЗель Next CNG).

Устройство и принцип работы

Би-топливный двигатель в своей основе представляет собой обычный бензиновый двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, дополненный газовой системой подачи топлива.

Основные компоненты

1. Бензиновая система: стандартная топливная система (бак, насос, форсунки, рампы), работающая в штатном режиме.
2. Газовая система: включает в себя:

• Газовые баллоны: для хранения сжатого природного газа (метана) под давлением до 200–250 атмосфер. Изготавливаются из стали, композитных материалов (металлокомпозитные) или полностью из полимерных композитов.
• Газовый редуктор: устройство, понижающее давление газа до рабочего (около 1–2 атмосфер) и, при необходимости, подогревающее его для предотвращения обмерзания.
• Газовые форсунки: электромагнитные клапаны, впрыскивающие газ во впускной коллектор или непосредственно в цилиндры (в системах последнего поколения).
• Электронный блок управления (ЭБУ) газовой системы: контроллер, который управляет подачей газа, синхронизируя её с работой штатного ЭБУ двигателя.

1. Переключатель вида топлива: устройство в салоне автомобиля, позволяющее водителю вручную или автоматически выбирать режим работы на газе или бензине.

Принцип работы

В штатном режиме двигатель работает на бензине. При переключении на газ ЭБУ газовой системы получает сигнал от датчиков (температура охлаждающей жидкости, обороты коленчатого вала, положение дроссельной заслонки) и, при достижении определённых условий (обычно после прогрева двигателя до 40–50 °C), отключает подачу бензина и начинает подавать газ. Впрыск газа происходит во впускной коллектор, где он смешивается с воздухом, после чего смесь поступает в цилиндры и воспламеняется от искры свечи зажигания. При снижении давления газа в баллоне ниже рабочего уровня или при исчерпании запаса газа система автоматически переключается на бензин. В некоторых системах возможен одновременный впрыск малой дозы бензина для стабилизации работы двигателя на газе.

Классификация

Би-топливные системы классифицируются по нескольким признакам:

По типу газового топлива

• Метановые (CNG — Compressed Natural Gas): используют сжатый природный газ (метан). Наиболее распространены в России для грузового и коммерческого транспорта, а также для заводских би-топливных версий легковых автомобилей.
• Пропан-бутановые (LPG — Liquefied Petroleum Gas): используют сжиженный нефтяной газ (пропан-бутановую смесь). Более распространены в мире для легковых автомобилей, но в России их доля ниже из-за особенностей налогообложения и инфраструктуры.

По поколению газового оборудования

• 1-е поколение: механические системы, без электронного управления. Газ подаётся через смеситель (карбюраторного типа). Устарели.
• 2-е поколение: электронное управление, но газ подаётся через смеситель. Используются на старых автомобилях с карбюраторными двигателями.
• 3-е поколение: распределённый впрыск газа во впускной коллектор с помощью газовых форсунок, управляемых отдельным ЭБУ. Наиболее распространены на автомобилях 2000-х годов.
• 4-е поколение: распределённый впрыск газа с синхронизацией по времени открытия бензиновых форсунок. Обеспечивает лучшую точность дозирования и более высокую экологичность.
• 5-е поколение: системы с жидким впрыском газа (LPI — Liquid Propane Injection) или с непосредственным впрыском газа в цилиндры (CNG DI). Наиболее современные и эффективные, но и самые дорогие.

По типу установки

• Заводские (OEM): устанавливаются на конвейере автопроизводителя. Двигатель и система управления полностью адаптированы под работу на газе, часто с усиленными клапанами и седлами.
• Переоборудованные (aftermarket): устанавливаются в специализированных сервисных центрах на уже существующий бензиновый двигатель. Требуют настройки и могут иметь ограничения по ресурсу.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Экономичность: природный газ (метан) и пропан-бутан значительно дешевле бензина, что позволяет существенно снизить затраты на топливо (до 50–60% и более).
• Экологичность: при сгорании газа образуется меньше вредных веществ (CO, NOx, сажи), чем при сгорании бензина. Метан также не содержит свинца и серы.
• Увеличение ресурса двигателя: газ сгорает более равномерно, не смывает масляную плёнку со стенок цилиндров, что снижает износ деталей поршневой группы. Моторное масло дольше сохраняет свои свойства.
• Безопасность: газовые баллоны изготавливаются из прочных материалов и оснащаются предохранительными клапанами. При утечке газ быстро рассеивается в атмосфере.
• Возможность использования бензина в качестве резерва: при отсутствии газовых заправок автомобиль может продолжать движение на бензине.

Недостатки

• Стоимость оборудования: установка газобаллонного оборудования (особенно метанового) требует значительных первоначальных вложений.
• Снижение мощности: при работе на газе мощность двигателя может снижаться на 5–15% по сравнению с бензином из-за меньшей теплотворной способности газовоздушной смеси.
• Увеличение массы: газовые баллоны (особенно стальные) имеют значительный вес, что увеличивает снаряжённую массу автомобиля и снижает его грузоподъёмность.
• Уменьшение объёма багажника: баллоны занимают часть полезного пространства в багажнике или под кузовом.
• Необходимость обслуживания: газовое оборудование требует периодической проверки и замены фильтров, редуктора и форсунок.
• Ограниченная инфраструктура: количество газовых заправочных станций (особенно метановых) значительно меньше, чем бензиновых, особенно в удалённых регионах.

Применение

Би-топливные двигатели находят широкое применение в различных сферах:

• Легковые автомобили: как заводские версии (например, Lada Vesta CNG, Hyundai Solaris CNG), так и переоборудованные частные автомобили.
• Коммерческий транспорт: грузовые автомобили (ГАЗель Next CNG, КАМАЗ), автобусы (ЛиАЗ, ПАЗ, НефАЗ), такси. В России государство активно субсидирует закупку газомоторной техники для общественного транспорта и коммунальных служб.
• Сельскохозяйственная техника: тракторы и комбайны, работающие на газе, используются в агропромышленном комплексе.
• Специальная техника: вилочные погрузчики, снегоуборщики, генераторные установки.

Интересные факты

• В России действует программа «Газомоторное топливо», в рамках которой предоставляются субсидии на приобретение газомоторной техники и строительство газовых заправок.
• Первый в мире серийный би-топливный автомобиль — Fiat Multipla CNG, выпускавшийся в 1990-х годах.
• В некоторых странах (например, в Италии и Аргентине) доля автомобилей, работающих на газе, превышает 20% от общего парка.
• Существуют проекты по переоборудованию на газ дизельных двигателей с использованием газодизельного цикла (dual-fuel), где газ подаётся вместе с дизельным топливом, которое служит для воспламенения смеси.

Источники

• ГОСТ Р 54982-2012 «Системы газобаллонные для автомобильных транспортных средств. Общие технические требования».
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности колёсных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011).
• Материалы Национальной газомоторной ассоциации (НГА).
• Учебное пособие «Газобаллонное оборудование автомобилей» (авторы: В.А. Марков, В.И. Баширов, В.Г. Кислов).
• Статья «Би-топливные двигатели: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки» (журнал «Автомобильная промышленность», 2020).